GPS测量误差及其影响 (GPS课件).ppt
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1、GPS测量误差及其影响(GPS课件)Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望主要内容主要内容7.1 7.1 误差的分类误差的分类7.2 7.2 与卫星有关的误差与卫星有关的误差7.3 7.3 与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差7.4 7.4 与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差7.5 7.5 其他误差其他误差(因素因素)7.1 7.1 误差的分类误差的分类7.1.1 7.1.1 按性质分类按性质分类v 系统误差v 偶然误差v 其它误差系统误差(影响
2、)系统误差(影响)v系统误差(偏差-Bias)内容具有某种系统性特征的误差钟差、对流层延迟、电离层延迟等特点具有某种系统性特征量级大 最大可达数百米v偶然误差 内容卫星信号发生部分的随机噪声接收机信号接收处理部分的随机噪声其它外部某些具有随机特征的影响偶然误差(影响)偶然误差(影响)特点随机量级小 毫米级偶然误差(观测噪声)-Noise一般优于波长/码元长度的1/100。C/A码伪距:0.3m-3mP(Y)码伪距:3cm-0.3m载波相位:0.2mm-2mm GPS定位中出现的各种误差,按误差性质可分为系统误差系统误差(偏差)和偶然误差偶然误差两大类。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果
3、的危害性讲都比偶然误差要大得多,而且有规律可循,可以采取一定措施来加以消除,因而是本章的主要内容 其它误差其它误差其它软件 模型误差GPS控制系统7.1.2 7.1.2 按来源分类按来源分类v与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应v 与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应v与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏差和变化接收机钟差接收机内部噪声各类误差对导航定位的影响各类误差对导航定位的影响单位:米单位:米7.1.3 7.1.3 消除减弱上述系统误差的措施和方法消除减弱上述系统误差的措施和方法建立误差改正模型差分法参数估计法随机模型外部观测数据改正回避法 上述各项误差对测
4、距的影响可达数十米,有时甚至可超过百米,比观测噪声大几个数量级。因此必须加以消除和削弱。消除或削弱这些误差所造成的影响的方法主要有:建立误差改正模型原理:采用模型对观测值进行修正适用情况:对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解,能建立理论或经验公式。如电离层延迟和对流层延迟改正模型等7.1.3 消除减弱上述系统误差的措施和方法消除减弱上述系统误差的措施和方法 误差改正模型既可以是通过对误差特性、机制以及产生的原因进行研究分析、推导而建立起来的理论公式理论公式(如利用电离层折射的大小与信号频率有关这一特性(即所谓的“电离层色散效应”)而建立起来的双频电离层折射改正模型基本上属于理论公式)。也可
5、以是通过大量观测数据的分析、拟合而建立起来的经验公式经验公式。在多数情况下是同时采用两种方法建立的综合模型(各种对流层折射模型则大体上属于综合模型)由于改正模型本身的误差(模型误差模型误差)以及所获取的改正模型各参数的误差(参数测参数测量误差量误差),仍会有一部分偏差残留在观测值中。这些残留的偏差通常仍比偶然误差要大得多。误差模型的精度好坏不等误差模型的精度好坏不等。有的误差改正模型效果较好,例如双频电离层折射改正模型的残余偏差约为总量的1%左右或更小;有的效果一般,如多数对流层折射改正公式的残余偏差约为总量的510%左右;有的改正模型则效果较差,如由广播星历所提供的单频电离层折射改正模型,残
6、余误差高达3040%。随机模型法随机模型法 先利用经验模型进行改正,然后把残余的系统误差当成随机误差来处理,给观测值定义适当随机模型,即给误差较大的观测值定较低权,以达到削弱这些误差参数估计影响的目的。7.1.3 消除减弱上述系统误差的措施和方法消除减弱上述系统误差的措施和方法原理:原理:仔细分析误差对观测值或平差结果的影响,安排适当的观测方案和数据处理方法观测方案和数据处理方法(如同步观测,相对定位等),利用误差在观测值之间的相关性或在定位结果之间的相关性和相似性相关性和相似性,通过求差来消除或削弱其影响的方法称为差分法。适用情况:适用情况:误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。如对流
7、层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差的影响等具有较强的空间相关性,就可以通过相距不远的不同地点的同步观测值相互求差,来消弱其影响差分法差分法 例如,例如,当两站对同一卫星进行同步观测时,观测值中都包含了共同的卫星钟误差,将观测值在接收机间求差即可消除此项误差。同样,一台接收机对多颗卫星进行同步观测时,将观测值在卫星间求差即可消除接收机钟误差的影响。又如又如,目前广播星历的误差可达数十米,这种误差属于起算数据的误差,并不影响观测值,不能通过观测值相减来消除。利用相距不太远的两个测站上的同步观测值进行相对定位时,由于两站至卫星的几何图形十分相似,因而星历误差对两站坐标的影响也很相似。利用这种相关性在求
8、坐标差时就能把共同的坐标误差消除掉。其残余误差(即星历误差对相对定位的影响)一般可用下列经验公式估算:若轨道误差若轨道误差若轨道误差若轨道误差2020米,基米,基米,基米,基线长度为线长度为线长度为线长度为2 2公里,则公里,则公里,则公里,则轨道误差带来的基线轨道误差带来的基线轨道误差带来的基线轨道误差带来的基线长度误差为长度误差为长度误差为长度误差为2 2毫米毫米毫米毫米参数法参数法原理:采用参数估计的方法,将系统性偏差求定出来适用情况:观测数据量较多时当观测量较少时,增加估计参数很容易导致方程病态,使解算结果不准确。回避法回避法原理:选择合适的观测地点,避开易产生误差的环境;采用特殊的观
9、测方法;采用特殊的硬件设备,消除或减弱误差的影响适用情况:对误差产生的条件及原因有所了解;具有特殊的设备。如对于电磁波干扰、多路径效应等的应对方法等。7.2 7.2 与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历(轨道)误差卫星星历(轨道)误差卫星钟差卫星钟差相对论效应相对论效应7.2.1 7.2.1 卫星星历(轨道)误差卫星星历(轨道)误差卫星星历(轨道)误差 由广播星历或其它轨道信息所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为星历误差。在一个观测时间段中(13小时)它主要呈现系统误差特性。但对视场中的n颗卫星而言,其星历误差一般是不相关的,可以看成是一组随机误差,预报星历(广播星历)与实测星历(精密
10、星历)预报星历 由全球定位系统的地面控制部分提供的经GPS卫星全球所有用户播发的广播星历是一种最典型的、使用最为广泛的预报星历。由于对作用在卫星上的各种摄动因素了解不够充分,因而预报会产生较大的误差。这种星历对实时应用的用户有着极其重要的作用,是导航和实时定位中必不可少的数据。在精密定位的事后处理中也得到广泛的应用。预报星历的精度预报星历的精度 由广播星历提供的17个星历参数计算出来的卫星位置的精度约为2040m,有时只能达80m左右。全球定位系统正式投入工作后,广播星历的精度提高到510m。但是只有特定的用户才能使用P码(Y码)和不经人工干预的原始广播星历,从这种“精密定位服务”(PPS)中
11、获得精确的定位结果。向全球所有用户开放的标准定位服务(SPS)的精度被人为地大幅度降低。有意识地降低调制在C/A码上的广播星历的精度就是其中的一个重要措施,非常时期可能变得根本不能用。目前,许多国家和组织都在建立自己的GPS卫星跟踪网开展独立的定轨工作。如由国际大地测量协会(IAG)第八委员会领导的国际GPS协作网(CIGNET),Aero Service的GPS跟踪网等。实测星历(精密星历)实测星历(精密星历)实测星历(精密星历)是根据实测资料进行事后处理而直接得出的星历,精度较高。这种星历用于进行精密定位的事后处理,对于提高精密定位精度,减少观测时间和作业费用等具有重要作用,还可以使数据处
12、理较为简便。由于这种星历要在观测后一段时间(例如12个星期)才能得到,所以对导航和实时定位无任何意义。应对方法精密定轨相对定位 星历误差的大小主要取决于卫星跟踪系统的质量(如跟踪站的数量及空间分布;观测值的数量及精度,轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等)。此外和星历的预报间隔(实测星历的预报间隔可视为零)也有直接关系。由于美国政府的SA技术,星历误差中还引入了大量人为原因而造成的误差,它们主要也呈系统误差特性。卫星星历误差对相距不远的两个测站的定位结果产生的影响大体相同,各个卫星的星历误差一般看成是互相独立的。然而由于SA技术的实施,这一特性很可能破坏。7.2.27.2.2卫星钟差
13、卫星钟差v卫星钟差的定义v物理同步误差与数学同步误差 物理同步误差:GPS卫星钟直接给出的时间和标准的GPS时之差,物理同步误差可以通过钟差模型来改正,地面控制系统通过遥控手段进行调整,限制在1ms范围内。数学同步误差:GPS卫星钟读数和标准的GPS时之差,数学同步误差是由卫星导航电文给出的钟差参数的预报误差以及随机误差引起的 卫星上虽然使用了高精度的原子钟,但它们仍不可避免地存在着误差。这种误差既包含着系统性的误差(由钟差、频偏、频漂等产生的误差),也包含着随机误差。系统误差远比随机误差大,但前者可以通过模型加以改正,因而随机误差就成为衡量钟的重要标志。钟误差主要取决钟的质量。SA技术实施后
14、,卫星钟误差中又引入了由于人为原因而造成的信号的随机抖动。两个测站对卫星进行同步观测时,卫星钟的误差对两站观测值的影响是相同的。各卫星钟的误差一般也被看成是互相独立的。7.2.2卫星钟差卫星钟差卫星钟有偏差和漂移,差1ms,相当于300km;导航电文中提供修正模型 t0为参考历元,改正后可达到20ns,约6m误差二站同步观测相对定位可消除其影响7.2.2卫星钟差卫星钟差7.2.2卫星钟差卫星钟差解决方法1)忽略卫星钟的数学同步误差 导航和低精度的单点定位2)利用测码伪距单点定位法来确定接收机的钟差 解算接收机接收瞬间的钟差3)通过获取精确的卫星钟差值 通过IGS获得精确的卫星钟差4)通过差分方
15、法来消除公共的钟差项 载波相位测量相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响v狭义相对论原理:时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。对GPS卫星钟的影响:结论:在狭义相对论效应作用下,卫星上钟的频率将变慢结论:在狭义相对论效应作用下,卫星上钟的频率将变慢相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响v广义相对论广义相对论原理:钟的频率与其所处的重力位有关原理:钟的频率与其所处的重力位有关对对GPSGPS卫星钟的影响:卫星钟的影响:结论:在广义相对论效应作用下,卫星上钟的频率将结论:在广义相对论效应作用下,卫星上钟的频率将变快变快相对论效应对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响v相对论效应
16、对卫星钟的影响相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论广义相对论狭义相对论广义相对论令:令:相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运动速相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运动速度和重力位)不同而引起卫星钟和接收钟之间产生相对钟误差度和重力位)不同而引起卫星钟和接收钟之间产生相对钟误差的现象。严格地说,将其归入与卫星有关的误差不完全准确。的现象。严格地说,将其归入与卫星有关的误差不完全准确。但由于相对论效应主要取决于卫星的运动速度和重力位,并且但由于相对论效应主要取决于卫星的运动速度和重力位,并且是以卫星钟误差的形式出现的,因此将其归入此类误差。是以卫星钟误差的形式出现的,因此将其归入
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